スパッタリング用チタン材の製造方法。
【課題】溶解インゴットを出発原料として、清浄なマクロ組織、微細なミクロ組織を備え、表層欠陥が少なく、良好な据え込み鍛造性を具備するスパッタリング用チタン材を提供。
【解決手段】最終形状として円柱状に仕上鍛伸され、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法であって、溶解インゴットを出発原料として温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造を行い、次いで温間鍛造で丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造を経て、最終の円柱形状に鍛伸されることを特徴とするスパッタリング用チタン材の製造方法である。温間鍛造を５００℃以上、β変態点以下の温度範囲で行うのが望ましい。また、スパッタリングターゲットに用いられるため、被鍛造材の純度はガス不純物を除いて９９．９８％以上とするのが望ましい。
【解決手段】最終形状として円柱状に仕上鍛伸され、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法であって、溶解インゴットを出発原料として温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造を行い、次いで温間鍛造で丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造を経て、最終の円柱形状に鍛伸されることを特徴とするスパッタリング用チタン材の製造方法である。温間鍛造を５００℃以上、β変態点以下の温度範囲で行うのが望ましい。また、スパッタリングターゲットに用いられるため、被鍛造材の純度はガス不純物を除いて９９．９８％以上とするのが望ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法に関し、さらに詳しくは、溶解インゴットを鍛造素材として、鋳造組織を残留させることなく均一なマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、その鍛造工程で被鍛造材の表面および表層部に発生する欠陥を低減するとともに、良好な据え込み鍛造性を具備することができ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属チタン材は優れた比強度、さらに高耐食性等の優れた特性から構造材料として広い分野で用いられている。特に、最近において高集積化の進捗が著しい半導体分野では、微細パターン加工の要請にともない、高純度チタン材が具備する低抵抗特性、高強度特性、または窒化チタンのバリヤ特性等が大きな誘因となって、高純度チタン材の使用量が急速に増加している。
【０００３】
通常、高純度チタン材を電極材料等の半導体材料として適用する場合には、スパッタリング用ターゲットとして使用されるが、このときの純度はガス不純物を除いて９９．９８％以上の材料が要求される。さらに、このようなチタンターゲットの製造においては、スパッタリングによって形成される膜厚の均一化を図るために、結晶粒の微細化およびマクロ組織の均一化が必要とされており、そのために鍛造および圧延で形状を整えるとともに、その後の熱処理での再結晶により、結晶粒径を制御するプロセスが採用されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、優れた膜厚の均一化特性を発揮するスパッタリング用ターゲットを得るため、変態点以上の温度で鍛錬成形比が５以上となるように鍛伸と据え込みを組み合わせた１次鍛造加工を１回以上行った後、変態点以下の温度で鍛錬成形比が５以上となるように鍛伸と据え込みを組み合わせた２次鍛造加工を１回以上行なう鍛造プロセスを提案している。
【０００５】
すなわち、特許文献１の鍛造プロセスでは、変態点以上の温度における１次鍛造加工で鋳造組織を破壊することとし、その後の２次鍛造加工で加工歪を蓄積することにより、これに続く圧延・熱処理工程で再結晶が促進され、結晶粒の微細化が図られることにより、その鍛伸材から得られたスパッタリングターゲットは膜厚の均一性に優れたものとなるとしている。
【０００６】
ところが、高純度チタン材からスパッタリング用ターゲットを製作する際には、形成される膜厚の均一特性を確保するとともに、製造効率を向上させるために、溶解インゴットを鍛造素材として円柱状に仕上鍛伸したのち、据え込み鍛造や対称軸圧延を施すプロセスが採用されるようになる。
【０００７】
具体的には、高純度で溶解されたチタンインゴット（例えば、５００〜９００ｍｍφ）を出発原料として、複数回の鍛伸工程を繰り返し、所定の仕上外径（例えば、１６５ｍｍφ）まで鍛伸する。その後、所定の直径および長さに切り出して、鍛伸材の長さ方向に圧縮して据え込み鍛造を行い、所定厚さの円盤状チタン材に加工する。
【０００８】
次いで、加工された円盤状チタン材を半径方向へ均一に拡大させるために、対称軸圧延を実施して、さらに薄い円盤形状（例えば、厚さ２５ｍｍ）に加工する。その後、機械切削して所定のスパッタリング用ターゲットとして仕上加工が行われる。
【０００９】
チタン材の金属組織は、その温度環境に応じて、α相の稠密六方晶とβ相の体心立方晶に区分され、α相からβ相への変態は高温域にあるβ変態点で行われる。ところで、その金属組織のうち体心立方晶は、稠密六方晶に較べて加工性は良好であるが、高温環境下では結晶粒の成長が著しくなる。
【００１０】
そのため、スパッタリング用ターゲットのように、結晶粒の成長や再結晶を抑える必要がある部材の加工では、その加工温度を制御することが必要になる。特に、高純度チタンの結晶粒の成長は、高温環境下で一層顕著になるため、β変態点（例えば、８８０℃）以下での加工が必要になる。したがって、上述のターゲットの製作過程での円柱状チタン材の鍛伸には、ある程度の加工性を確保しつつ、結晶粒の成長を抑制するため、β変態点以下での温間鍛造が前提とされる。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２３２０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述の通り、溶解インゴットを出発材料として複数回の鍛伸工程を繰り返し、円柱状に仕上鍛伸したのち、据え込み鍛造や対称軸圧延を施すプロセスでスパッタリング用ターゲットを製造するようになると、良好なスパッタ膜厚特性を確保するだけでなく、最終形状における鍛伸材の据え込み鍛造性を向上させることが必要になる。
【００１３】
例えば、スパッタリンダ用ターゲットの製作において、据え込み鍛造されたチタン材は対称軸圧延で円盤形状に仕上げられるが、一旦、据え込み鍛造によって円形形状が損なわれ、角形状または楕円形状となったチタン材断面は、円盤形状に修正することは困難である。このため、そのままの断面形状でターゲット加工を行うと、製品歩留まりが著しく低下することになり、従来の溶解インゴットの鍛造方法では据え込み鍛造性の悪化が問題となっていた。
【００１４】
図１は、溶解インゴットを出発材料として最終形状の円柱状に鍛伸する従来の温間鍛造での加工プロセスを説明する図である。溶解インゴット（例えば、７３０ｍｍφインゴット）から仕上外径（例えば、１６５ｍｍφ）に至るまでの鍛伸は、４段階の鍛造工程に区分されている。このとき、従来の温間鍛造では、最終的に円柱状に鍛伸する場合には、丸金型２を用いて仕上鍛伸を行うが、その前段階まで平金型１を用いて角柱形状に鍛造していた。
【００１５】
鍛造素材が大径となるチタン材の鍛造プロセスでは、複数回の鍛造工程が必要となり、後述する図７に示すように、丸金型２を用いる場合には、丸金型２の穴型部の寸法（形状）によって、その金型で加工できる素材径と最終加工径が決定されるため、鍛造工程に応じて丸金型２を交換していく必要がある。これに対し、平金型１を用いる場合には、鍛造工程に応じて、その都度金型の交換を必要としないことから、従来の温間鍛造での加工プロセスでは、最終的に円柱状に鍛伸する前段階まで、平金型１を用いて角柱形状に鍛造していた。
【００１６】
前述の通り、溶解インゴットを出発材料としてスパッタリング用ターゲットを製作する際には、最終形状の円柱状チタン材まで鍛伸されると、所定の長さに切り出した後、長さ方向に据え込み鍛造が行われ、所定厚さの円盤状チタン材に加工される。
【００１７】
しかしながら、図１に示す従来の温間鍛造で鍛伸する場合には、据え込み鍛造後のチタン材の断面が、円形に近似する形状にはならず、半径方向への据え込み変形が不揃いとなり、製品歩留まりを著しく低下させることになる。
【００１８】
鍛伸材の据え込み鍛造性を向上させるには、結晶の配向性分布に規則性を持たせることが必要になる。すなわち、鍛伸材の結晶の配向性を均一、かつ規則的にすることにより、据え込み鍛造による半径方向への変形が整合され、据え込み鍛造後のチタン材の断面が、円形に近似する形状になる。
【００１９】
このように、鍛伸材の結晶配向性に規則性を持たせるには、例えば、溶解インゴットを出発材料とした温間鍛造の開始から終了に至るまでの全段階で丸金型を用いる円柱鍛伸を実施することによっても可能になる。すなわち、丸金型を用いた円柱鍛伸により、鍛伸材の最終的な断面形状に相似する形状に加工するとともに、加工力を素材中心部に向かって均一、かつ規則的に伝搬することができる。
【００２０】
図２は、据え込み鍛造性を確保するため、溶解インゴットを出発材料として温間鍛造での加工プロセスの全段階で円柱鍛伸を実施する工程を示す図である。最終外径の鍛伸材を加工するまで４段階の円柱鍛造の工程に区分されるが、それぞれの円柱鍛伸は、丸金型２を用いた自由鍛造によって行われる。これにより、最終形状に相似する形状に加工するとともに、加工力を素材中心部に均一に伝搬でき、優れた据え込み鍛造性を確保することができる。
【００２１】
しかしながら、前記図２に示す鍛造プロセスによれば、前述の通り、据え込み鍛造性を向上させるとともに、膜厚特性に必要なミクロ組織の微細化および均一化を図ることができるが、仕上鍛伸後に断面マクロ組織の表層部に、柱状晶が残影したような鋳造組織が残留することがある。このように、表層部に鋳造組織が残留したチタン材からスパッタリング用ターゲットを製作すると、スパッタリング時に均一な形成膜を得ることができなくなる。
【００２２】
このため、丸金型を用いた円柱鍛伸における加工度を増加すると、鋳造組織の残留を軽減することができるが、円柱鍛伸後の断面表層部に欠陥が発生し、仕上鍛伸後の超音波探傷によって検出されるようになる。このような検出欠陥を除去するには、仕上鍛伸材から所定直径に切り出して据え込み鍛造用のビレットを加工する際に、仕上鍛伸材の外径加工量を大きくとる必要があり、加工歩留まりを低下させる要因となる。
【００２３】
本発明は、上述したスパッタリング用ターゲットのチタン材の製造における問題点に鑑みてなされたものであり、溶解インゴットを出発原料として、鋳造組織の残留がない均一なマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、その鍛造プロセスでの円柱鍛伸後の断面表層部に発生する欠陥を低減するとともに、良好な据え込み鍛造性を具備することができ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、前記図１に示す平金型を用いた角柱鍛伸の鍛造プロセス、および前記図２に示す丸金型を用いた円柱鍛伸の鍛造プロセスについて詳細に検討した。その結果、断面マクロ組織の表層部に残留する鋳造組織は、β変態点（例えば、８８０℃）以下の温間加工による鍛造初期に、平金型を用いて比較的大きな圧下量を被鍛造材に負荷することにより、低減できることを明らかにした。
【００２５】
さらに、仕上鍛伸後の超音波探傷によって検出される断面表層部の欠陥は、丸金型を用いた円柱鍛伸の鍛造プロセスでの被鍛造材の変形挙動に起因することを明確にした。
【００２６】
図３は、鍛造プロセスにおける変形挙動を模式的に説明する図であり、（ａ）は平金型を用いた角柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示し、（ｂ）は丸金型を用いた円柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示している。いずれの場合も金型１、２を介して上下方向から圧下が加えられ、被鍛造材（インゴット）３の内部には圧縮力ｐが発生している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、平金型１を用いる場合には、被鍛造材３の上下外周部が金型により拘束されるが、上下方向からの圧下による圧縮力ｐは上下方向のみならず水平方向にも分散する傾向を示し、圧縮変形にともなうメタルフローは被鍛造材の長手方向のみならず水平方向にも生じる。このため、平金型１を用いた角柱鍛伸でのメタルフローは比較的小さなものとなる。
【００２８】
一方、図３（ｂ）に示すように、丸金型２を用いる場合には、被鍛造材３の外周部はほぼ全周に亘り金型により拘束され、上下方向からの圧下による圧縮力ｐは半径方向に均一に負荷されることから、表層部分は相似的に圧縮されるが大きな変形とならず、その中心部分での変形量は比較的大きなものとなる。このため、丸金型２を用いた円柱鍛伸でのメタルフローは、中心部分の長手方向に沿って優先的に生じ大きなものとなる。
【００２９】
したがって、丸金型２を用いた円柱鍛伸の鍛造プロセスでは、上下方向からの圧下による圧縮力ｐにともなって、丸金型２により拘束される被鍛造材３の表面および表層部でのメタルフローとその中心部分でのメタルフローに大きな差異が生じ、これが起因となって断面表層部に欠陥が生じ易くなる。
【００３０】
さらに、断面表層部に発生する欠陥に関し、鍛造プロセスを通じて圧下量を増加させると、膜厚特性に必要なミクロ組織の微細化およびマクロ組織の均一化を図ることができるが、仕上鍛伸後の断面表層部に欠陥を発生するようになり、超音波探傷によって検出されることになる。そこで、鍛造プロセスの初期段階において、平金型を用いて軽圧下で被鍛造材の全周を鍛造（以下、単に「軽圧下による全周鍛造」という）することにより、鍛造プロセスにおける圧下量を確保しつつ、断面表層部の欠陥を抑制できることに着目した。
【００３１】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（３）のスパッタリング用チタン材の製造方法を要旨としている。
（１）最終形状として円柱状に仕上鍛伸され、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法であって、溶解インゴットを出発原料として温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造を行い、次いで温間鍛造で丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造を経て、最終の円柱形状に鍛伸されることを特徴とするスパッタリング用チタン材の製造方法である。
（２）上記（１）のチタン材の製造方法において、前記１次鍛造における１パス当たりの圧下量が７％以上にすること、または／および前記２次鍛造では、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１または２以上の丸金型を用いて円柱鍛伸を行うことが望ましい。
【００３２】
さらに、圧下量を確保しつつ、断面表層部の欠陥を抑制するため、前記１次鍛造の前に、圧下量が４％以下の「軽圧下による全周鍛造」を行うことができる。
（３）上記（１）のチタン材の製造方法において、温間鍛造を被鍛造材の全域に亘り５００℃以上、β変態点以下の温度範囲に保持して行うのが望ましい。さらに、被鍛造材の全域に亘り５００℃以上に保持するため、前記１次鍛造から２次鍛造を経て最終の円柱鍛造に至る工程においてリヒート（再加熱）処理を施すことができる。
【００３３】
また、スパッタリングターゲットに用いられるため、被鍛造材の純度はガス不純物を除いて９９．９８％以上とするのが望ましい。
【００３４】
本発明のチタン材の製造方法において、溶解インゴットを出発原料と規定しているのは、対象とする被鍛造材の外径を５００ｍｍ〜１０００ｍｍとする大径チタン材の鍛造プロセスを前提としているためである。さらに、最終の円柱形状の外径は１５０〜３５０ｍｍであり、多くは１５０〜２００ｍｍに仕上鍛伸される。
【００３５】
通常、平金型または丸金型を用いた自由鍛造では、対向する一対の金型で被鍛造材を一方向から圧下した後、被鍛造材を所定角度（例えば、３０°、４５°、９０°）に回転し目標の外径寸法まで鍛造し、次いで被鍛造材を長手方向に送り、被鍛造材の一方の端部から他方の端部まで繰り返して全長に亘り所定寸法に鍛伸される。本発明のチタン材の製造方法においては、一対の金型により被鍛造材を一方向から圧下することを単に「パス」という。
【００３６】
また、本発明のチタン材の製造方法に適用される被鍛造材には種々のサイズがあるため、１パス当たりの圧下量は絶対値ではなく圧下率で規定する。ここで、「１パス当たりの圧下量」は｛（圧下前の寸法）−（圧下後の寸法）／（圧下前の寸法）｝×１００（％）で示す。
【００３７】
本発明のチタン材の製造方法において「軽圧下による全周鍛造」とは、平金型を用いて１パス当たりの回転角度が４５°以下の軽圧下で被鍛造材の全周を鍛造することをいう。さらに、１パス当たりの回転角度は３〜４０°とするのが望ましく、さらに望ましくは１５〜３０°である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明のスパッタリング用チタン材の製造方法によれば、温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造と、丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造とを組み合わせることにより、溶解インゴットを出発原料として、鋳造組織の残留がない均一なマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、その鍛造プロセスにおいて被鍛造材の表層部に発生する欠陥を低減するとともに、良好な据え込み鍛造性を具備することができ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図４は、本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの一例を説明する図である。同図に示すように、最終外径の鍛伸材を加工するまでに、平金型１を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造と、丸金型２を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造とからなる。
【００４０】
平金型１を用いた１次鍛造では、温間鍛造の初期に圧下量を確保することにより、断面マクロ組織の表層部に残留する鋳造組織を破壊することを目的にする。これに対し、丸金型２を用いた２次鍛造では、加工歪みの蓄積に加え、最終形状に相似する形状に加工できるとともに、加工力を素材中心部に均一、かつ規則的に伝搬し、結晶粒の微細化と均一化をおこない、結晶の配向性分布に規則性を持たせ、優れた据え込み鍛造性を発揮させることができる。
【００４１】
図５は、本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの他の例を説明する図である。同図に示すように、本発明のチタン材の製造方法では、鍛造プロセス全体での圧下量を確保しつつ、仕上鍛伸後の断面表層部に発生する欠陥を抑制するため、１次鍛造の前に、変形能が悪い断面表層部を小刻みな角度で回転させ、被鍛造材の全周を鍛錬する、軽圧下による全周鍛造を行うのが望ましい。
【００４２】
軽圧下による全周鍛造では、平金型を用いて圧下量を４％以下とする。圧下量が４％を超えて増加すると、仕上鍛伸後の断面表層部に欠陥が生ずるおそれがある。一方、軽圧下による全周鍛造を行う場合に、被鍛造材の断面表層部を鍛錬する効果を得るには、圧下量を１％以上とするのが望ましい。
【００４３】
また、軽圧下による全周鍛造を行うことにより全周の表層部を鍛錬する効果を得るには、１パス当たりの回転角度を４５度以下にする。このとき、１パス当たりの回転角度は３〜４０°とするのが望ましく、さらに１５〜３０°にするのが望ましい。
【００４４】
１次鍛造では、例えば、前記図４の加工プロセスに示すように、出発素材として直径７３０ｍｍφのインゴットが使用され、温間鍛造のためヒート（加熱）された後、平金型１を用いて軽圧下で６６０ｍｍの多角に鍛伸され、次いで平金型１を用いて４１５ｍｍ多角を経て３６０ｍｍ多角に強圧下される。引き続き、必要に応じてリヒート（再加熱）された後、２次鍛造により最終仕上まで円柱鍛伸される。
【００４５】
図６は、本発明の１次鍛造で採用する平金型の一例を示す図である。平金型１では上型１ａおよび下型１ｂ一対の金型から構成されており、この金型の間に加熱された被鍛造材を挿入して、自由鍛造であって上下方向から空気ハンマー、蒸気ハンマー、または液圧プレスによって圧下し、１パス毎に均一に鍛伸する。
【００４６】
前述の通り、平金型１を用いた１次鍛造では、温間鍛造の初期に圧下量を確保することにより、鋳造組織の残留を抑制し、素材内部の鋳造組織を破壊できる。さらに、平金型１による１次鍛造では、比較的大きな圧下量を負荷したとしても、被鍛造材のメタルフローは極端に長手方向に発生することがなく、圧下を受ける表面および表層部でのメタルフローと中心部でのメタルフローに大きな差異が生ずることがない。これにともなって、鍛伸後の断面表層部に発生する欠陥を防止でき、据え込み鍛造用ビレットの外径加工量を低減することができる。
【００４７】
平金型１を用いた１次鍛造では、上記の効果を確保するため、１パス当たりの圧下量を７％以上にするのが望ましい。さらに、圧下量の下限を設けることにより、鍛造パス回数の増加にともなう能率低下やリヒート（再加熱）処理の増加を防止できる。１次鍛造での圧下量の上限は規定しないが、圧下量が大きすぎると、素材エッジ部でのせん断割れや座屈、巻き込み等のおそれがあるため、上限値を５０％とするのが望ましい。
【００４８】
２次鍛造では、例えば、前記図４および図５の加工プロセスに示すように、１次鍛造に引き続き、必要に応じてリヒート（再加熱）を施し、丸金型２に変更して素材を２８５ｍｍφに鍛伸したのち、丸金型２の穴型部の寸法（形状）を変更して、最終仕上の１６５ｍｍφ鍛伸材まで鍛伸する。
【００４９】
同図に示す２次鍛造において、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１の丸金型を用いて円柱鍛伸を行っているが、この加工プロセスには限定されない。すなわち、本発明の２次鍛造では、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１または２以上の丸金型を用いて円柱鍛伸を行うことができる。
【００５０】
図７は、本発明の２次鍛造で採用する丸金型の１例を示す図である。本発明の丸金型２は、楕円形状（長径ＤAおよび短径ＤB）の穴型部を有する上下一対の金型２ａ、２ｂから構成されており、この穴型部に加熱された被鍛造材を挿入して、自由鍛造であって上下方向から空気ハンマー、蒸気ハンマー、または液圧プレスによって加圧し、１パス毎に均一に鍛伸していくことができる。
【００５１】
前述の通り、丸金型２を用いた２次鍛造では、鍛伸材の結晶配向性を改善することにより、据え込み鍛造性を向上させることができる。通常、据え込み鍛造性の判断基準は、所定の据え込み比（２〜３）で行った鍛造後の断面の長径／短径比で判断し、長径／短径比が小さい程、据え込み鍛造性が良好と判断される。一方、据え込み比が大きくなればなる程、長径／短径比が大きくなり、据え込み鍛造性後の歩留まりが悪化する。
【００５２】
上記図７に示す丸金型では、上下の金型を組み合わされることによって、長径ＤAおよび短径ＤBの穴型部が形成される。しかし、丸金型の穴型部の形状によって、その金型で加工できる素材径と最終加工径が決定されるため、素材外径から最終仕上外径まで順次、丸金型を小径用に交換していく必要がある。
【００５３】
本発明の製造方法では、高純度チタン材を温間鍛造するものであるが、被鍛造材の全域に亘り５００℃以上、β変態点以下の温度範囲に保持して行うが望ましい。β変態点（約８８０℃）以下としているのは、高純度チタンにおいては高温での結晶粒成長はさらに顕著になるので、結晶粒の成長を抑制するためである。一方、保持温度の下限を５００℃としているのは、被鍛造材の全域に亘り鍛造加工性を確保するためである。下限温度の管理に際しては、被鍛造材の表面温度に留意する必要がある。
【００５４】
被鍛造材の全域に亘り上記の温度範囲に保持するため、溶解インゴットをヒート（加熱）した後、１次鍛造から２次鍛造を経て最終の円柱鍛造に至る工程では、各工程間または／および各工程の途中段階で加熱炉により適宜素材をリヒート（再加熱）しながら鍛伸を行うことができる。
【００５５】
本発明の製造方法では、具体的なヒート（加熱）またはリヒート（再加熱）条件として８５０℃×２〜１２Ｈｒを採用することができる。また、鍛伸が進むにつれて被鍛造材が長くなるため、作業をする上で取り扱いやすい長さに適宜切断しながら鍛伸を行う。
【００５６】
さらに、本発明が対象とする高純度チタン材の純度をガス不純物を除いて９９．９８％以上とするのが望ましいとしているのは、スパッタリングターゲットとして用いられる場合に要求される純度を満足するためである。
【実施例】
【００５７】
本発明のスパッタリング用チタン材の特性を、高純度チタン材を用いた具体的な実施例に基づいて説明する。実施例に供したチタン材の純度は、いずれもガス不純物を除いて９９．９９５％とした。
（発明例１）
前記図４に示す温間鍛造の加工プロセスによって、最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状のチタン材を鍛伸した。出発素材としては、ＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍを使用した。１次鍛造では、加熱炉で８５０℃×１２時間の均一ヒート（加熱）後、平金型により圧下量が９．６％で６６０ｍｍ多角に鍛伸し、加熱炉で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）後、平金型により圧下量が３７％で４１５ｍｍの多角柱鍛伸をおこない、さらに平金型により圧下量が９．６％で３６０ｍｍ多角に鍛伸した。
【００５８】
次いで、２次鍛造では、加熱炉で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）後、丸金型を用いて２８５ｍｍφに鍛伸した後、丸金型を変更して仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。１次鍛造〜２次鍛造〜仕上鍛伸の工程を通じて、素材温度が８５０〜５００℃の温間加工が可能になるように、工程間で均一加熱を行った。鍛伸材は作業をする上で取り扱いやすい長さになるように、適宜切断しながら鍛伸を行った。
【００５９】
仕上鍛伸で得られたチタン材は、断面のマクロ組織観察を行うとともに、半径方向の結晶粒径の分布状況をＡＳＴＭ Ｅ−１１２切断法で測定した。さらに、チタン材の表層部の欠陥の発生状況を、超音波探傷により測定した。これらの結果を表１に示す。
【００６０】
また、仕上鍛伸されたチタン材は、所定の長さ（例えば、２００ｍｍ）に切断した後、加熱炉中にて６００℃で２時間加熱後、長さ方向に据え込み鍛造して、据え込み比２（鍛造後の長さ１００ｍｍ）鍛造を行った。このときの据え込み鍛造性、すなわち、鍛造後の断面の長径／短径比の測定結果を表１に示す。
（発明例２）
前記図５に示す温間鍛造の加工プロセスによって、最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状のチタン材を鍛伸した。実施例１と同様に、出発素材にＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍを使用し、加熱炉で８５０℃×１２時間の均一ヒート（加熱）後、１次鍛造前に、平金型を用いて軽圧下による全周鍛造（圧下量４％、回転角度３０°）を行い、表層部の全周を鍛錬して６６０ｍｍ円柱に鍛伸した。
【００６１】
軽圧下による全周鍛造後、加熱炉で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）後、平金型により圧下量が３７％で４１５ｍｍの多角柱鍛伸をおこない、さらに平金型により圧下量が９．６％で３６０ｍｍ多角に鍛伸した。次いで、２次鍛造では、丸金型を用いて２８５ｍｍφに鍛伸した後、丸金型を変更して仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。
【００６２】
発明例２で仕上鍛伸されたチタン材は、発明例１の場合と同様に、断面マクロ組織観察、半径方向の結晶粒径測定、および表層部欠陥の超音波探傷を実施した。さらに、据え込み比２の鍛造を行ったときの断面の長径／短径比の測定を実施した。このときの結果を表１に示す。
（比較例１）
前記図１に示す温間鍛造の加工プロセスによって、平金型を用いた四角柱鍛造を行い、最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状チタンを加工した。出発素材は発明例１の場合と同様に、ＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍとした。第１の工程では、加熱炉で８５０℃に均一ヒート（加熱）後、３６０ｍｍ角に鍛伸し、第２の工程では２５０ｍｍ角に鍛伸し、第３の工程では１７５ｍｍ角に鍛伸した。第４の工程では、丸金型にて仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。
【００６３】
図示しないが、第１から第４の工程を通じて、被鍛造材の温度が８５０〜５００℃の温間加工が可能になるように、工程間で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）を行った。鍛伸材は作業をする上で取り扱いやすい長さになるように、適宜切断しながら鍛伸を行った。
【００６４】
比較例１で仕上鍛伸されたチタン材は、発明例１の場合と同様に、断面マクロ組織観察、半径方向の結晶粒径測定、および表層部欠陥の超音波探傷を実施した。さらに、据え込み比２の鍛造を行ったときの断面の長径／短径比の測定を実施した。このときの結果を表１に示す。
（比較例２）
前記図２に示す温間鍛造の加工プロセスによって、丸金型を用い最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状チタンを加工した。出発素材は発明例１の場合と同様に、ＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍを使用した。第１の工程では、加熱炉で８５０℃の均一ヒート（加熱）後、５９０ｍｍφに鍛伸し、第２の工程では３８０ｍｍφに鍛伸し、第３の工程では２８０ｍｍφに鍛伸した。次いで、第４の工程では、丸金型にて仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。
【００６５】
比較例１と同様に、第１から第４の工程を通じて、素材温度が８５０〜５００℃の温間加工が可能になるように、工程間で均一リヒート（再加熱）を行った。鍛伸材は作業をする上で取り扱いやすい長さになるように、適宜切断しながら鍛伸を行った。
【００６６】
比較例２で仕上鍛伸されたチタン材は、発明例１の場合と同様に、断面マクロ組織観察、半径方向の結晶粒径測定、および表層部欠陥の超音波探傷を実施した。さらに、据え込み比２の鍛造を行ったときの断面の長径／短径比の測定を実施した。このときの結果を表１に示す。
（測定結果）
発明例１、２および比較例１、２における測定結果の比較を、表１に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
断面のマクロ組織観察では、発明例１、２および比較例１では均一、かつ清浄なマクロ組織であったが、比較例２では断面周辺部に鋳造組織の残留が観察され、悪い結果（評価は×）となった。
【００６９】
結晶粒度の測定結果は粒径バラツキの標準偏差で示しているが、発明例１、２および比較例１、２のいずれも９〜１０μｍと良好な結果であり、いずれの温間鍛造の加工プロセスであっても鋳造組織の破壊が充分に行われていることが分かる。
【００７０】
表層部欠陥の超音波探傷の結果では、比較例２の場合には表層部での欠陥発生が多く（評価は×）、据え込み鍛造用ビレットを加工する際に、外径加工量を多くとる必要があることが分かる。特に、発明例２の場合には、１次鍛造の前に被鍛造材の表層部全周を鍛錬する軽圧下による全周鍛造を行うことにより、表層部に発生する欠陥を顕著に低減することができた（評価は◎）。
【００７１】
据え込み鍛造性は据え込み比２の結果であり、発明例１、２および比較例２は１．０２であり、優れた据え込み鍛造性を示している。
【００７２】
表１に示す結果から、発明例１、２は、断面のマクロ組織観察、結晶粒度、表層部欠陥の超音波探傷、および据え込み鍛造性のいずれにおいても優れた特性を発揮できることから、スパッタリングターゲットに最適なチタン材であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明のスパッタリング用チタン材の製造方法によれば、温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造と、丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造とを組み合わせることにより、溶解インゴットを出発原料として、鋳造組織の残留がないマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、良好な据え込み鍛造性を具備するとともに、延伸鍛造後の表層部での欠陥発生を低減することで加工歩留まりにも優れ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材を得ることができる。
【００７４】
特に、１次鍛造の前に被鍛造材の表層部全周を鍛錬する、軽圧下による全周鍛造を施すことにより、表層部に発生する欠陥を顕著に低減することができる。これらにより、チタンターゲットに最適なチタン材として、広範に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】溶解インゴットを出発材料として最終形状の円柱状に鍛伸する従来の温間鍛造での加工プロセスを説明する図である。
【図２】据え込み鍛造性を確保するため、溶解インゴットを出発材料として温間鍛造での加工プロセスの全段階で円柱鍛伸を実施する工程を示す図である。
【図３】鍛造プロセスにおける変形挙動を模式的に説明する図であり、（ａ）は平金型を用いた角柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示し、（ｂ）は丸金型を用いた円柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示している。
【図４】本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの一例を説明する図である。
【図５】本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの他の例を説明する図である。
【図６】本発明の１次鍛造で採用する平金型の一例を示す図である。
【図７】本発明の２次鍛造で採用する丸金型の１例を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１：平金型、 ２：丸金型
３：被鍛造材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法に関し、さらに詳しくは、溶解インゴットを鍛造素材として、鋳造組織を残留させることなく均一なマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、その鍛造工程で被鍛造材の表面および表層部に発生する欠陥を低減するとともに、良好な据え込み鍛造性を具備することができ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属チタン材は優れた比強度、さらに高耐食性等の優れた特性から構造材料として広い分野で用いられている。特に、最近において高集積化の進捗が著しい半導体分野では、微細パターン加工の要請にともない、高純度チタン材が具備する低抵抗特性、高強度特性、または窒化チタンのバリヤ特性等が大きな誘因となって、高純度チタン材の使用量が急速に増加している。
【０００３】
通常、高純度チタン材を電極材料等の半導体材料として適用する場合には、スパッタリング用ターゲットとして使用されるが、このときの純度はガス不純物を除いて９９．９８％以上の材料が要求される。さらに、このようなチタンターゲットの製造においては、スパッタリングによって形成される膜厚の均一化を図るために、結晶粒の微細化およびマクロ組織の均一化が必要とされており、そのために鍛造および圧延で形状を整えるとともに、その後の熱処理での再結晶により、結晶粒径を制御するプロセスが採用されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、優れた膜厚の均一化特性を発揮するスパッタリング用ターゲットを得るため、変態点以上の温度で鍛錬成形比が５以上となるように鍛伸と据え込みを組み合わせた１次鍛造加工を１回以上行った後、変態点以下の温度で鍛錬成形比が５以上となるように鍛伸と据え込みを組み合わせた２次鍛造加工を１回以上行なう鍛造プロセスを提案している。
【０００５】
すなわち、特許文献１の鍛造プロセスでは、変態点以上の温度における１次鍛造加工で鋳造組織を破壊することとし、その後の２次鍛造加工で加工歪を蓄積することにより、これに続く圧延・熱処理工程で再結晶が促進され、結晶粒の微細化が図られることにより、その鍛伸材から得られたスパッタリングターゲットは膜厚の均一性に優れたものとなるとしている。
【０００６】
ところが、高純度チタン材からスパッタリング用ターゲットを製作する際には、形成される膜厚の均一特性を確保するとともに、製造効率を向上させるために、溶解インゴットを鍛造素材として円柱状に仕上鍛伸したのち、据え込み鍛造や対称軸圧延を施すプロセスが採用されるようになる。
【０００７】
具体的には、高純度で溶解されたチタンインゴット（例えば、５００〜９００ｍｍφ）を出発原料として、複数回の鍛伸工程を繰り返し、所定の仕上外径（例えば、１６５ｍｍφ）まで鍛伸する。その後、所定の直径および長さに切り出して、鍛伸材の長さ方向に圧縮して据え込み鍛造を行い、所定厚さの円盤状チタン材に加工する。
【０００８】
次いで、加工された円盤状チタン材を半径方向へ均一に拡大させるために、対称軸圧延を実施して、さらに薄い円盤形状（例えば、厚さ２５ｍｍ）に加工する。その後、機械切削して所定のスパッタリング用ターゲットとして仕上加工が行われる。
【０００９】
チタン材の金属組織は、その温度環境に応じて、α相の稠密六方晶とβ相の体心立方晶に区分され、α相からβ相への変態は高温域にあるβ変態点で行われる。ところで、その金属組織のうち体心立方晶は、稠密六方晶に較べて加工性は良好であるが、高温環境下では結晶粒の成長が著しくなる。
【００１０】
そのため、スパッタリング用ターゲットのように、結晶粒の成長や再結晶を抑える必要がある部材の加工では、その加工温度を制御することが必要になる。特に、高純度チタンの結晶粒の成長は、高温環境下で一層顕著になるため、β変態点（例えば、８８０℃）以下での加工が必要になる。したがって、上述のターゲットの製作過程での円柱状チタン材の鍛伸には、ある程度の加工性を確保しつつ、結晶粒の成長を抑制するため、β変態点以下での温間鍛造が前提とされる。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２３２０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述の通り、溶解インゴットを出発材料として複数回の鍛伸工程を繰り返し、円柱状に仕上鍛伸したのち、据え込み鍛造や対称軸圧延を施すプロセスでスパッタリング用ターゲットを製造するようになると、良好なスパッタ膜厚特性を確保するだけでなく、最終形状における鍛伸材の据え込み鍛造性を向上させることが必要になる。
【００１３】
例えば、スパッタリンダ用ターゲットの製作において、据え込み鍛造されたチタン材は対称軸圧延で円盤形状に仕上げられるが、一旦、据え込み鍛造によって円形形状が損なわれ、角形状または楕円形状となったチタン材断面は、円盤形状に修正することは困難である。このため、そのままの断面形状でターゲット加工を行うと、製品歩留まりが著しく低下することになり、従来の溶解インゴットの鍛造方法では据え込み鍛造性の悪化が問題となっていた。
【００１４】
図１は、溶解インゴットを出発材料として最終形状の円柱状に鍛伸する従来の温間鍛造での加工プロセスを説明する図である。溶解インゴット（例えば、７３０ｍｍφインゴット）から仕上外径（例えば、１６５ｍｍφ）に至るまでの鍛伸は、４段階の鍛造工程に区分されている。このとき、従来の温間鍛造では、最終的に円柱状に鍛伸する場合には、丸金型２を用いて仕上鍛伸を行うが、その前段階まで平金型１を用いて角柱形状に鍛造していた。
【００１５】
鍛造素材が大径となるチタン材の鍛造プロセスでは、複数回の鍛造工程が必要となり、後述する図７に示すように、丸金型２を用いる場合には、丸金型２の穴型部の寸法（形状）によって、その金型で加工できる素材径と最終加工径が決定されるため、鍛造工程に応じて丸金型２を交換していく必要がある。これに対し、平金型１を用いる場合には、鍛造工程に応じて、その都度金型の交換を必要としないことから、従来の温間鍛造での加工プロセスでは、最終的に円柱状に鍛伸する前段階まで、平金型１を用いて角柱形状に鍛造していた。
【００１６】
前述の通り、溶解インゴットを出発材料としてスパッタリング用ターゲットを製作する際には、最終形状の円柱状チタン材まで鍛伸されると、所定の長さに切り出した後、長さ方向に据え込み鍛造が行われ、所定厚さの円盤状チタン材に加工される。
【００１７】
しかしながら、図１に示す従来の温間鍛造で鍛伸する場合には、据え込み鍛造後のチタン材の断面が、円形に近似する形状にはならず、半径方向への据え込み変形が不揃いとなり、製品歩留まりを著しく低下させることになる。
【００１８】
鍛伸材の据え込み鍛造性を向上させるには、結晶の配向性分布に規則性を持たせることが必要になる。すなわち、鍛伸材の結晶の配向性を均一、かつ規則的にすることにより、据え込み鍛造による半径方向への変形が整合され、据え込み鍛造後のチタン材の断面が、円形に近似する形状になる。
【００１９】
このように、鍛伸材の結晶配向性に規則性を持たせるには、例えば、溶解インゴットを出発材料とした温間鍛造の開始から終了に至るまでの全段階で丸金型を用いる円柱鍛伸を実施することによっても可能になる。すなわち、丸金型を用いた円柱鍛伸により、鍛伸材の最終的な断面形状に相似する形状に加工するとともに、加工力を素材中心部に向かって均一、かつ規則的に伝搬することができる。
【００２０】
図２は、据え込み鍛造性を確保するため、溶解インゴットを出発材料として温間鍛造での加工プロセスの全段階で円柱鍛伸を実施する工程を示す図である。最終外径の鍛伸材を加工するまで４段階の円柱鍛造の工程に区分されるが、それぞれの円柱鍛伸は、丸金型２を用いた自由鍛造によって行われる。これにより、最終形状に相似する形状に加工するとともに、加工力を素材中心部に均一に伝搬でき、優れた据え込み鍛造性を確保することができる。
【００２１】
しかしながら、前記図２に示す鍛造プロセスによれば、前述の通り、据え込み鍛造性を向上させるとともに、膜厚特性に必要なミクロ組織の微細化および均一化を図ることができるが、仕上鍛伸後に断面マクロ組織の表層部に、柱状晶が残影したような鋳造組織が残留することがある。このように、表層部に鋳造組織が残留したチタン材からスパッタリング用ターゲットを製作すると、スパッタリング時に均一な形成膜を得ることができなくなる。
【００２２】
このため、丸金型を用いた円柱鍛伸における加工度を増加すると、鋳造組織の残留を軽減することができるが、円柱鍛伸後の断面表層部に欠陥が発生し、仕上鍛伸後の超音波探傷によって検出されるようになる。このような検出欠陥を除去するには、仕上鍛伸材から所定直径に切り出して据え込み鍛造用のビレットを加工する際に、仕上鍛伸材の外径加工量を大きくとる必要があり、加工歩留まりを低下させる要因となる。
【００２３】
本発明は、上述したスパッタリング用ターゲットのチタン材の製造における問題点に鑑みてなされたものであり、溶解インゴットを出発原料として、鋳造組織の残留がない均一なマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、その鍛造プロセスでの円柱鍛伸後の断面表層部に発生する欠陥を低減するとともに、良好な据え込み鍛造性を具備することができ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、前記図１に示す平金型を用いた角柱鍛伸の鍛造プロセス、および前記図２に示す丸金型を用いた円柱鍛伸の鍛造プロセスについて詳細に検討した。その結果、断面マクロ組織の表層部に残留する鋳造組織は、β変態点（例えば、８８０℃）以下の温間加工による鍛造初期に、平金型を用いて比較的大きな圧下量を被鍛造材に負荷することにより、低減できることを明らかにした。
【００２５】
さらに、仕上鍛伸後の超音波探傷によって検出される断面表層部の欠陥は、丸金型を用いた円柱鍛伸の鍛造プロセスでの被鍛造材の変形挙動に起因することを明確にした。
【００２６】
図３は、鍛造プロセスにおける変形挙動を模式的に説明する図であり、（ａ）は平金型を用いた角柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示し、（ｂ）は丸金型を用いた円柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示している。いずれの場合も金型１、２を介して上下方向から圧下が加えられ、被鍛造材（インゴット）３の内部には圧縮力ｐが発生している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、平金型１を用いる場合には、被鍛造材３の上下外周部が金型により拘束されるが、上下方向からの圧下による圧縮力ｐは上下方向のみならず水平方向にも分散する傾向を示し、圧縮変形にともなうメタルフローは被鍛造材の長手方向のみならず水平方向にも生じる。このため、平金型１を用いた角柱鍛伸でのメタルフローは比較的小さなものとなる。
【００２８】
一方、図３（ｂ）に示すように、丸金型２を用いる場合には、被鍛造材３の外周部はほぼ全周に亘り金型により拘束され、上下方向からの圧下による圧縮力ｐは半径方向に均一に負荷されることから、表層部分は相似的に圧縮されるが大きな変形とならず、その中心部分での変形量は比較的大きなものとなる。このため、丸金型２を用いた円柱鍛伸でのメタルフローは、中心部分の長手方向に沿って優先的に生じ大きなものとなる。
【００２９】
したがって、丸金型２を用いた円柱鍛伸の鍛造プロセスでは、上下方向からの圧下による圧縮力ｐにともなって、丸金型２により拘束される被鍛造材３の表面および表層部でのメタルフローとその中心部分でのメタルフローに大きな差異が生じ、これが起因となって断面表層部に欠陥が生じ易くなる。
【００３０】
さらに、断面表層部に発生する欠陥に関し、鍛造プロセスを通じて圧下量を増加させると、膜厚特性に必要なミクロ組織の微細化およびマクロ組織の均一化を図ることができるが、仕上鍛伸後の断面表層部に欠陥を発生するようになり、超音波探傷によって検出されることになる。そこで、鍛造プロセスの初期段階において、平金型を用いて軽圧下で被鍛造材の全周を鍛造（以下、単に「軽圧下による全周鍛造」という）することにより、鍛造プロセスにおける圧下量を確保しつつ、断面表層部の欠陥を抑制できることに着目した。
【００３１】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（３）のスパッタリング用チタン材の製造方法を要旨としている。
（１）最終形状として円柱状に仕上鍛伸され、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法であって、溶解インゴットを出発原料として温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造を行い、次いで温間鍛造で丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造を経て、最終の円柱形状に鍛伸されることを特徴とするスパッタリング用チタン材の製造方法である。
（２）上記（１）のチタン材の製造方法において、前記１次鍛造における１パス当たりの圧下量が７％以上にすること、または／および前記２次鍛造では、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１または２以上の丸金型を用いて円柱鍛伸を行うことが望ましい。
【００３２】
さらに、圧下量を確保しつつ、断面表層部の欠陥を抑制するため、前記１次鍛造の前に、圧下量が４％以下の「軽圧下による全周鍛造」を行うことができる。
（３）上記（１）のチタン材の製造方法において、温間鍛造を被鍛造材の全域に亘り５００℃以上、β変態点以下の温度範囲に保持して行うのが望ましい。さらに、被鍛造材の全域に亘り５００℃以上に保持するため、前記１次鍛造から２次鍛造を経て最終の円柱鍛造に至る工程においてリヒート（再加熱）処理を施すことができる。
【００３３】
また、スパッタリングターゲットに用いられるため、被鍛造材の純度はガス不純物を除いて９９．９８％以上とするのが望ましい。
【００３４】
本発明のチタン材の製造方法において、溶解インゴットを出発原料と規定しているのは、対象とする被鍛造材の外径を５００ｍｍ〜１０００ｍｍとする大径チタン材の鍛造プロセスを前提としているためである。さらに、最終の円柱形状の外径は１５０〜３５０ｍｍであり、多くは１５０〜２００ｍｍに仕上鍛伸される。
【００３５】
通常、平金型または丸金型を用いた自由鍛造では、対向する一対の金型で被鍛造材を一方向から圧下した後、被鍛造材を所定角度（例えば、３０°、４５°、９０°）に回転し目標の外径寸法まで鍛造し、次いで被鍛造材を長手方向に送り、被鍛造材の一方の端部から他方の端部まで繰り返して全長に亘り所定寸法に鍛伸される。本発明のチタン材の製造方法においては、一対の金型により被鍛造材を一方向から圧下することを単に「パス」という。
【００３６】
また、本発明のチタン材の製造方法に適用される被鍛造材には種々のサイズがあるため、１パス当たりの圧下量は絶対値ではなく圧下率で規定する。ここで、「１パス当たりの圧下量」は｛（圧下前の寸法）−（圧下後の寸法）／（圧下前の寸法）｝×１００（％）で示す。
【００３７】
本発明のチタン材の製造方法において「軽圧下による全周鍛造」とは、平金型を用いて１パス当たりの回転角度が４５°以下の軽圧下で被鍛造材の全周を鍛造することをいう。さらに、１パス当たりの回転角度は３〜４０°とするのが望ましく、さらに望ましくは１５〜３０°である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明のスパッタリング用チタン材の製造方法によれば、温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造と、丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造とを組み合わせることにより、溶解インゴットを出発原料として、鋳造組織の残留がない均一なマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、その鍛造プロセスにおいて被鍛造材の表層部に発生する欠陥を低減するとともに、良好な据え込み鍛造性を具備することができ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図４は、本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの一例を説明する図である。同図に示すように、最終外径の鍛伸材を加工するまでに、平金型１を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造と、丸金型２を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造とからなる。
【００４０】
平金型１を用いた１次鍛造では、温間鍛造の初期に圧下量を確保することにより、断面マクロ組織の表層部に残留する鋳造組織を破壊することを目的にする。これに対し、丸金型２を用いた２次鍛造では、加工歪みの蓄積に加え、最終形状に相似する形状に加工できるとともに、加工力を素材中心部に均一、かつ規則的に伝搬し、結晶粒の微細化と均一化をおこない、結晶の配向性分布に規則性を持たせ、優れた据え込み鍛造性を発揮させることができる。
【００４１】
図５は、本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの他の例を説明する図である。同図に示すように、本発明のチタン材の製造方法では、鍛造プロセス全体での圧下量を確保しつつ、仕上鍛伸後の断面表層部に発生する欠陥を抑制するため、１次鍛造の前に、変形能が悪い断面表層部を小刻みな角度で回転させ、被鍛造材の全周を鍛錬する、軽圧下による全周鍛造を行うのが望ましい。
【００４２】
軽圧下による全周鍛造では、平金型を用いて圧下量を４％以下とする。圧下量が４％を超えて増加すると、仕上鍛伸後の断面表層部に欠陥が生ずるおそれがある。一方、軽圧下による全周鍛造を行う場合に、被鍛造材の断面表層部を鍛錬する効果を得るには、圧下量を１％以上とするのが望ましい。
【００４３】
また、軽圧下による全周鍛造を行うことにより全周の表層部を鍛錬する効果を得るには、１パス当たりの回転角度を４５度以下にする。このとき、１パス当たりの回転角度は３〜４０°とするのが望ましく、さらに１５〜３０°にするのが望ましい。
【００４４】
１次鍛造では、例えば、前記図４の加工プロセスに示すように、出発素材として直径７３０ｍｍφのインゴットが使用され、温間鍛造のためヒート（加熱）された後、平金型１を用いて軽圧下で６６０ｍｍの多角に鍛伸され、次いで平金型１を用いて４１５ｍｍ多角を経て３６０ｍｍ多角に強圧下される。引き続き、必要に応じてリヒート（再加熱）された後、２次鍛造により最終仕上まで円柱鍛伸される。
【００４５】
図６は、本発明の１次鍛造で採用する平金型の一例を示す図である。平金型１では上型１ａおよび下型１ｂ一対の金型から構成されており、この金型の間に加熱された被鍛造材を挿入して、自由鍛造であって上下方向から空気ハンマー、蒸気ハンマー、または液圧プレスによって圧下し、１パス毎に均一に鍛伸する。
【００４６】
前述の通り、平金型１を用いた１次鍛造では、温間鍛造の初期に圧下量を確保することにより、鋳造組織の残留を抑制し、素材内部の鋳造組織を破壊できる。さらに、平金型１による１次鍛造では、比較的大きな圧下量を負荷したとしても、被鍛造材のメタルフローは極端に長手方向に発生することがなく、圧下を受ける表面および表層部でのメタルフローと中心部でのメタルフローに大きな差異が生ずることがない。これにともなって、鍛伸後の断面表層部に発生する欠陥を防止でき、据え込み鍛造用ビレットの外径加工量を低減することができる。
【００４７】
平金型１を用いた１次鍛造では、上記の効果を確保するため、１パス当たりの圧下量を７％以上にするのが望ましい。さらに、圧下量の下限を設けることにより、鍛造パス回数の増加にともなう能率低下やリヒート（再加熱）処理の増加を防止できる。１次鍛造での圧下量の上限は規定しないが、圧下量が大きすぎると、素材エッジ部でのせん断割れや座屈、巻き込み等のおそれがあるため、上限値を５０％とするのが望ましい。
【００４８】
２次鍛造では、例えば、前記図４および図５の加工プロセスに示すように、１次鍛造に引き続き、必要に応じてリヒート（再加熱）を施し、丸金型２に変更して素材を２８５ｍｍφに鍛伸したのち、丸金型２の穴型部の寸法（形状）を変更して、最終仕上の１６５ｍｍφ鍛伸材まで鍛伸する。
【００４９】
同図に示す２次鍛造において、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１の丸金型を用いて円柱鍛伸を行っているが、この加工プロセスには限定されない。すなわち、本発明の２次鍛造では、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１または２以上の丸金型を用いて円柱鍛伸を行うことができる。
【００５０】
図７は、本発明の２次鍛造で採用する丸金型の１例を示す図である。本発明の丸金型２は、楕円形状（長径ＤAおよび短径ＤB）の穴型部を有する上下一対の金型２ａ、２ｂから構成されており、この穴型部に加熱された被鍛造材を挿入して、自由鍛造であって上下方向から空気ハンマー、蒸気ハンマー、または液圧プレスによって加圧し、１パス毎に均一に鍛伸していくことができる。
【００５１】
前述の通り、丸金型２を用いた２次鍛造では、鍛伸材の結晶配向性を改善することにより、据え込み鍛造性を向上させることができる。通常、据え込み鍛造性の判断基準は、所定の据え込み比（２〜３）で行った鍛造後の断面の長径／短径比で判断し、長径／短径比が小さい程、据え込み鍛造性が良好と判断される。一方、据え込み比が大きくなればなる程、長径／短径比が大きくなり、据え込み鍛造性後の歩留まりが悪化する。
【００５２】
上記図７に示す丸金型では、上下の金型を組み合わされることによって、長径ＤAおよび短径ＤBの穴型部が形成される。しかし、丸金型の穴型部の形状によって、その金型で加工できる素材径と最終加工径が決定されるため、素材外径から最終仕上外径まで順次、丸金型を小径用に交換していく必要がある。
【００５３】
本発明の製造方法では、高純度チタン材を温間鍛造するものであるが、被鍛造材の全域に亘り５００℃以上、β変態点以下の温度範囲に保持して行うが望ましい。β変態点（約８８０℃）以下としているのは、高純度チタンにおいては高温での結晶粒成長はさらに顕著になるので、結晶粒の成長を抑制するためである。一方、保持温度の下限を５００℃としているのは、被鍛造材の全域に亘り鍛造加工性を確保するためである。下限温度の管理に際しては、被鍛造材の表面温度に留意する必要がある。
【００５４】
被鍛造材の全域に亘り上記の温度範囲に保持するため、溶解インゴットをヒート（加熱）した後、１次鍛造から２次鍛造を経て最終の円柱鍛造に至る工程では、各工程間または／および各工程の途中段階で加熱炉により適宜素材をリヒート（再加熱）しながら鍛伸を行うことができる。
【００５５】
本発明の製造方法では、具体的なヒート（加熱）またはリヒート（再加熱）条件として８５０℃×２〜１２Ｈｒを採用することができる。また、鍛伸が進むにつれて被鍛造材が長くなるため、作業をする上で取り扱いやすい長さに適宜切断しながら鍛伸を行う。
【００５６】
さらに、本発明が対象とする高純度チタン材の純度をガス不純物を除いて９９．９８％以上とするのが望ましいとしているのは、スパッタリングターゲットとして用いられる場合に要求される純度を満足するためである。
【実施例】
【００５７】
本発明のスパッタリング用チタン材の特性を、高純度チタン材を用いた具体的な実施例に基づいて説明する。実施例に供したチタン材の純度は、いずれもガス不純物を除いて９９．９９５％とした。
（発明例１）
前記図４に示す温間鍛造の加工プロセスによって、最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状のチタン材を鍛伸した。出発素材としては、ＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍを使用した。１次鍛造では、加熱炉で８５０℃×１２時間の均一ヒート（加熱）後、平金型により圧下量が９．６％で６６０ｍｍ多角に鍛伸し、加熱炉で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）後、平金型により圧下量が３７％で４１５ｍｍの多角柱鍛伸をおこない、さらに平金型により圧下量が９．６％で３６０ｍｍ多角に鍛伸した。
【００５８】
次いで、２次鍛造では、加熱炉で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）後、丸金型を用いて２８５ｍｍφに鍛伸した後、丸金型を変更して仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。１次鍛造〜２次鍛造〜仕上鍛伸の工程を通じて、素材温度が８５０〜５００℃の温間加工が可能になるように、工程間で均一加熱を行った。鍛伸材は作業をする上で取り扱いやすい長さになるように、適宜切断しながら鍛伸を行った。
【００５９】
仕上鍛伸で得られたチタン材は、断面のマクロ組織観察を行うとともに、半径方向の結晶粒径の分布状況をＡＳＴＭ Ｅ−１１２切断法で測定した。さらに、チタン材の表層部の欠陥の発生状況を、超音波探傷により測定した。これらの結果を表１に示す。
【００６０】
また、仕上鍛伸されたチタン材は、所定の長さ（例えば、２００ｍｍ）に切断した後、加熱炉中にて６００℃で２時間加熱後、長さ方向に据え込み鍛造して、据え込み比２（鍛造後の長さ１００ｍｍ）鍛造を行った。このときの据え込み鍛造性、すなわち、鍛造後の断面の長径／短径比の測定結果を表１に示す。
（発明例２）
前記図５に示す温間鍛造の加工プロセスによって、最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状のチタン材を鍛伸した。実施例１と同様に、出発素材にＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍを使用し、加熱炉で８５０℃×１２時間の均一ヒート（加熱）後、１次鍛造前に、平金型を用いて軽圧下による全周鍛造（圧下量４％、回転角度３０°）を行い、表層部の全周を鍛錬して６６０ｍｍ円柱に鍛伸した。
【００６１】
軽圧下による全周鍛造後、加熱炉で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）後、平金型により圧下量が３７％で４１５ｍｍの多角柱鍛伸をおこない、さらに平金型により圧下量が９．６％で３６０ｍｍ多角に鍛伸した。次いで、２次鍛造では、丸金型を用いて２８５ｍｍφに鍛伸した後、丸金型を変更して仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。
【００６２】
発明例２で仕上鍛伸されたチタン材は、発明例１の場合と同様に、断面マクロ組織観察、半径方向の結晶粒径測定、および表層部欠陥の超音波探傷を実施した。さらに、据え込み比２の鍛造を行ったときの断面の長径／短径比の測定を実施した。このときの結果を表１に示す。
（比較例１）
前記図１に示す温間鍛造の加工プロセスによって、平金型を用いた四角柱鍛造を行い、最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状チタンを加工した。出発素材は発明例１の場合と同様に、ＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍとした。第１の工程では、加熱炉で８５０℃に均一ヒート（加熱）後、３６０ｍｍ角に鍛伸し、第２の工程では２５０ｍｍ角に鍛伸し、第３の工程では１７５ｍｍ角に鍛伸した。第４の工程では、丸金型にて仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。
【００６３】
図示しないが、第１から第４の工程を通じて、被鍛造材の温度が８５０〜５００℃の温間加工が可能になるように、工程間で８５０℃×３時間のリヒート（再加熱）を行った。鍛伸材は作業をする上で取り扱いやすい長さになるように、適宜切断しながら鍛伸を行った。
【００６４】
比較例１で仕上鍛伸されたチタン材は、発明例１の場合と同様に、断面マクロ組織観察、半径方向の結晶粒径測定、および表層部欠陥の超音波探傷を実施した。さらに、据え込み比２の鍛造を行ったときの断面の長径／短径比の測定を実施した。このときの結果を表１に示す。
（比較例２）
前記図２に示す温間鍛造の加工プロセスによって、丸金型を用い最終形状が１６５ｍｍφとなる円柱状チタンを加工した。出発素材は発明例１の場合と同様に、ＶＡＲ溶解インゴットで直径７３０ｍｍφ×長さ２５００ｍｍを使用した。第１の工程では、加熱炉で８５０℃の均一ヒート（加熱）後、５９０ｍｍφに鍛伸し、第２の工程では３８０ｍｍφに鍛伸し、第３の工程では２８０ｍｍφに鍛伸した。次いで、第４の工程では、丸金型にて仕上外径である１６５ｍｍφまで鍛伸した。
【００６５】
比較例１と同様に、第１から第４の工程を通じて、素材温度が８５０〜５００℃の温間加工が可能になるように、工程間で均一リヒート（再加熱）を行った。鍛伸材は作業をする上で取り扱いやすい長さになるように、適宜切断しながら鍛伸を行った。
【００６６】
比較例２で仕上鍛伸されたチタン材は、発明例１の場合と同様に、断面マクロ組織観察、半径方向の結晶粒径測定、および表層部欠陥の超音波探傷を実施した。さらに、据え込み比２の鍛造を行ったときの断面の長径／短径比の測定を実施した。このときの結果を表１に示す。
（測定結果）
発明例１、２および比較例１、２における測定結果の比較を、表１に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
断面のマクロ組織観察では、発明例１、２および比較例１では均一、かつ清浄なマクロ組織であったが、比較例２では断面周辺部に鋳造組織の残留が観察され、悪い結果（評価は×）となった。
【００６９】
結晶粒度の測定結果は粒径バラツキの標準偏差で示しているが、発明例１、２および比較例１、２のいずれも９〜１０μｍと良好な結果であり、いずれの温間鍛造の加工プロセスであっても鋳造組織の破壊が充分に行われていることが分かる。
【００７０】
表層部欠陥の超音波探傷の結果では、比較例２の場合には表層部での欠陥発生が多く（評価は×）、据え込み鍛造用ビレットを加工する際に、外径加工量を多くとる必要があることが分かる。特に、発明例２の場合には、１次鍛造の前に被鍛造材の表層部全周を鍛錬する軽圧下による全周鍛造を行うことにより、表層部に発生する欠陥を顕著に低減することができた（評価は◎）。
【００７１】
据え込み鍛造性は据え込み比２の結果であり、発明例１、２および比較例２は１．０２であり、優れた据え込み鍛造性を示している。
【００７２】
表１に示す結果から、発明例１、２は、断面のマクロ組織観察、結晶粒度、表層部欠陥の超音波探傷、および据え込み鍛造性のいずれにおいても優れた特性を発揮できることから、スパッタリングターゲットに最適なチタン材であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明のスパッタリング用チタン材の製造方法によれば、温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造と、丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造とを組み合わせることにより、溶解インゴットを出発原料として、鋳造組織の残留がないマクロ組織と微細なミクロ組織（ターゲット加工後に結晶粒径が１０μｍ未満）を兼ね備え、良好な据え込み鍛造性を具備するとともに、延伸鍛造後の表層部での欠陥発生を低減することで加工歩留まりにも優れ、チタンターゲットに最適なスパッタリング用チタン材を得ることができる。
【００７４】
特に、１次鍛造の前に被鍛造材の表層部全周を鍛錬する、軽圧下による全周鍛造を施すことにより、表層部に発生する欠陥を顕著に低減することができる。これらにより、チタンターゲットに最適なチタン材として、広範に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】溶解インゴットを出発材料として最終形状の円柱状に鍛伸する従来の温間鍛造での加工プロセスを説明する図である。
【図２】据え込み鍛造性を確保するため、溶解インゴットを出発材料として温間鍛造での加工プロセスの全段階で円柱鍛伸を実施する工程を示す図である。
【図３】鍛造プロセスにおける変形挙動を模式的に説明する図であり、（ａ）は平金型を用いた角柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示し、（ｂ）は丸金型を用いた円柱鍛伸での被鍛造材の変形挙動を示している。
【図４】本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの一例を説明する図である。
【図５】本発明のスパッタリング用チタン材を製造するための温間鍛造での加工プロセスの他の例を説明する図である。
【図６】本発明の１次鍛造で採用する平金型の一例を示す図である。
【図７】本発明の２次鍛造で採用する丸金型の１例を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１：平金型、 ２：丸金型
３：被鍛造材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最終形状として円柱状に仕上鍛伸され、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法であって、
溶解インゴットを出発原料として温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造を行い、次いで温間鍛造で丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造を経て、最終の円柱形状に鍛伸されることを特徴とするスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項２】
前記１次鍛造における１パス当たりの圧下量が７％以上であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項３】
前記２次鍛造では、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１または２以上の丸金型を用いて円柱鍛伸を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項４】
前記１次鍛造の前に、平金型を用いて圧下量が４％以下の軽圧下で被鍛造材の全周を鍛造することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項５】
上記温間鍛造が被鍛造材の全域に亘り５００℃以上、β変態点以下の温度範囲に保持して行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項６】
被鍛造材の全域に亘り５００℃以上に保持するため、前記１次鍛造から２次鍛造を経て最終の円柱鍛造に至る工程においてリヒート（再加熱）処理が施されることを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項７】
被鍛造材の純度がガス不純物を除いて９９．９８％以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項１】
最終形状として円柱状に仕上鍛伸され、スパッタリングターゲットに用いられるチタン材の製造方法であって、
溶解インゴットを出発原料として温間鍛造で平金型を用いた角柱鍛伸からなる１次鍛造を行い、次いで温間鍛造で丸金型を用いた円柱鍛伸からなる２次鍛造を経て、最終の円柱形状に鍛伸されることを特徴とするスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項２】
前記１次鍛造における１パス当たりの圧下量が７％以上であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項３】
前記２次鍛造では、最終形状に鍛伸する丸金型に比べ穴型部の寸法（形状）が大きい１または２以上の丸金型を用いて円柱鍛伸を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項４】
前記１次鍛造の前に、平金型を用いて圧下量が４％以下の軽圧下で被鍛造材の全周を鍛造することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項５】
上記温間鍛造が被鍛造材の全域に亘り５００℃以上、β変態点以下の温度範囲に保持して行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項６】
被鍛造材の全域に亘り５００℃以上に保持するため、前記１次鍛造から２次鍛造を経て最終の円柱鍛造に至る工程においてリヒート（再加熱）処理が施されることを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【請求項７】
被鍛造材の純度がガス不純物を除いて９９．９８％以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタリング用チタン材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−４４７６３（Ｐ２００７−４４７６３Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６０５５（Ｐ２００６−６０５５）
【出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【出願人】（３９７０６４９４４）住友チタニウム株式会社 (133)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【出願人】（３９７０６４９４４）住友チタニウム株式会社 (133)
【Ｆターム（参考）】
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